Fluidtechnik nutzt Flüssigkeiten und Gase, um Energie zu übertragen und Bewegungen zu steuern: als Hydraulik mit Druckflüssigkeit, meist Öl, als Pneumatik mit Druckluft und als Vakuumtechnik mit Unterdruck zum Halten und Greifen. Dieser Überblick erklärt die Unterschiede zwischen Hydraulik und Pneumatik, die typische Komponentenkette vom Erzeuger bis zum Aktor und die wichtigsten Rechenregeln. Dazu kommen Hinweise zu Energieeffizienz, Leckagen und zum Lesen von Schaltplänen.
Was Fluidtechnik umfasst
Nach dem Skript der Hochschule Zittau/Görlitz (nach Fachkunde Metall) beinhaltet Hydraulik die Übertragung von Kräften und die Steuerung von Bewegungen mit Hilfe von Flüssigkeiten, Pneumatik die Lehre vom Verhalten der Gase, insbesondere der Luft. In der Technik umfasst sie vor allem die Erzeugung von Druckluft und ihre Nutzung zur Steuerung und zum Antrieb von Systemen. Vakuum bezeichnet nach DIN 28400 den Zustand eines Gases, dessen Druck geringer ist als der Atmosphärendruck (IKS, Vakuumtechnik).
Hydraulische und pneumatische Anlagen folgen demselben Grundaufbau. Das Skript beschreibt ihn nach DIN ISO 1219-1 mit drei Gruppen: Antriebsorgane (Druckstromerzeuger), Anpassungsorgane (Steuer- und Regelgeräte) und Abtriebsorgane (Druckstromverbraucher). Ein Stoffspeicher (Fluidbehälter mit Zubehör) ergänzt die Anlage.
Hydraulik und Pneumatik im Vergleich
Der wesentliche Unterschied liegt in den Eigenschaften der Medien: Luft ist kompressibel, Öl kaum. Bosch Rexroth stellt die Antriebstechniken in einer Tabelle gegenüber, ergänzt um Angaben des Hochschulskripts:
| Kriterium | Hydraulik | Pneumatik |
|---|---|---|
| Übertragungsmedium | Druckflüssigkeit, meist Öl | Luft |
| Druckbereich | hohe Betriebsdrücke | 4 bis 6 bar (Rexroth), meist unter 10 bar (Skript) |
| Leistungsdichte | sehr gut | gut, begrenzt durch den maximalen Betriebsdruck |
| Weggenauigkeit | sehr gut, Flüssigkeit kaum kompressibel | weniger gut, Luft kompressibel |
| Steuer- und Regelbarkeit | sehr gut über Ventile und Verstellpumpen | sehr gut über Ventile |
| Energiespeicherung | Blasen-, Kolben-, Membranspeicher mit Stickstoff | Druckluftbehälter |
| Rückleitung des Mediums | erforderlich | entfällt, Abluft geht ins Freie |
| Leckage | Austritt von Öl gefährdet die Umwelt | bedeutet Energieverlust |
| Typische Stärke | große Kräfte bei kompakter Bauweise | schnelle Bewegungen bei geringem Kraftbedarf |
Rexroth fasst zusammen: Hydraulische Antriebe haben Vorteile bei hohen Kräften und sehr kompakter Bauweise, der Aufwand gegen austretende Druckflüssigkeit ist der Nachteil. Pneumatische Antriebe eignen sich für schnelle Bewegungen bei geringem Kraftbedarf, bieten vergleichsweise geringe Investitionskosten und gute Umweltverträglichkeit, nachteilig ist die Geräuschentwicklung. Nach dem Skript ist über 6 bar eine sicherheitstechnische Überwachung vorgeschrieben.
Die Komponentenkette: Erzeuger, Aufbereitung, Steuerung, Aktor
| Stufe | Hydraulik | Pneumatik |
|---|---|---|
| Erzeugen | Pumpe (Konstant- oder Verstellpumpe), Behälter | Verdichter, Kühler, Druckluftbehälter |
| Aufbereiten | Filter, Kühlung der Druckflüssigkeit | Filter, Druckregelventil, gegebenenfalls Öler |
| Steuern | Wege-, Sperr-, Strom-, Druck- und Proportionalventile | Wege-, Sperr-, Strom- und Druckventile |
| Aktor | Hydrozylinder, Hydromotor | Druckluftzylinder, Druckluftmotor |
| Speichern | Hydrospeicher | Druckluftbehälter |
Hydraulik
Die Pumpe saugt die Hydraulikflüssigkeit aus dem Behälter an und drückt sie über das Wegeventil zu Zylinder oder Hydromotor. Überschreitet der Druck den eingestellten Höchstwert, öffnet das Druckbegrenzungsventil, und die Flüssigkeit fließt zurück in den Behälter. Der Behälter speichert die Flüssigkeit, ersetzt Leckverluste und kühlt sie, zudem setzen sich dort Schmutzteilchen ab.
Pumpen mit gleich bleibendem Verdrängervolumen je Umdrehung heißen Konstantpumpen, bei einstellbarem Verdrängervolumen spricht man von Verstellpumpen. Bauarten sind Zahnrad-, Flügelzellen- und Kolbenpumpen, bei Kolbenpumpen unterscheidet man axiale und radiale Anordnung. Bei einer Axialkolbenpumpe in Schrägachsenbauart ändert sich durch Verstellen des Winkels der Trommel zur Antriebsachse der Kolbenhub und damit der Volumenstrom. Die Druckflüssigkeit überträgt Kräfte, schmiert die Bauteile, schützt vor Korrosion und führt Wärme und Schmutzpartikel ab. Ihre Viskosität ändert sich mit der Temperatur. Zu den Nachteilen zählen Wärmeentwicklung, Lärm und Lecköl.
Pneumatik
Druckluft entsteht in Kolben-, Membran- oder Schraubenverdichtern. Ein Kühler scheidet Kondensat ab, durch Abkühlen auf 4 °C (Kältetrocknung) erhält man Druckluft mit sehr geringer Restfeuchte. Das Skript empfiehlt, das Netz als Ringleitung anzulegen, Querschnitte so zu wählen, dass höchstens 0,2 bar Druckverlust entstehen, und Leitungen mit Gefälle zu verlegen, damit Kondenswasser ablaufen kann. Zur Aufbereitung vor den Verbrauchern dienen Filter, Druckregelventil und gegebenenfalls Öler. Zylinder können einfach oder doppelt wirkend sein. Ohne Festanschläge lassen sich mit ihnen keine genauen Stellungen anfahren, ausströmende Druckluft verursacht Lärm.
Vakuum
Beim Handling mit Sauggreifern erzeugen Ejektoren den Unterdruck mit Druckluft, Vakuumpumpen mit Speicher eignen sich für dichte Lasten, Gebläse kommen hauptsächlich bei porösen Werkstücken wie MDF- oder Spanplatten zum Einsatz (IKS). In der Regel wird mit Unterdrücken von 60 bis 80 % gearbeitet, bei porösen oder nicht optimal abgedichteten Werkstücken können 20 bis 30 % genügen, denn höhere Unterdrücke verursachen höhere Energiekosten. Leybold ordnet die Druckbereiche so ein:
| Bereich | Druck in mbar |
|---|---|
| Grobvakuum | 1.000 bis 1 |
| Feinvakuum | 1 bis 10−3 |
| Hochvakuum | 10−3 bis 10−7 |
Der Atmosphärendruck nimmt je 100 m Höhe um etwa 12,5 mbar ab. Erreicht ein Vakuumerzeuger auf 200 m Höhe eine Druckdifferenz von 800 mbar, sind es auf 1.500 m nur noch etwa 660 mbar (IKS).
Kräfte berechnen
Für die Kolbenkraft gilt im Skript F = pe · A mit dem Überdruck pe und der wirksamen Kolbenfläche A. Bei Pneumatikzylindern ist das die theoretische Kraft Fth, von der die Reibungskraft FR abgeht. Rechenbeispiel (konstruiert): Ein Zylinder mit Kolbendurchmesser 50 mm hat eine Fläche von π/4 · (50 mm)² ≈ 1.963 mm². Mit 1 bar = 0,1 N/mm² ergibt sich bei 6 bar eine theoretische Kraft von 0,6 N/mm² · 1.963 mm² ≈ 1.178 N, bei angenommenen 100 bar in einem Hydraulikzylinder gleicher Größe rund 19.635 N. Die Kraft wächst also proportional zum Druck, deshalb erreicht die Hydraulik bei kleinen Abmessungen große Kräfte.
Nach dem Gesetz von Pascal herrscht in einem abgeschlossenen System überall derselbe Druck. Wirkt er auf unterschiedlich große Flächen, verhalten sich die Kräfte wie die Flächen (F2/F1 = A2/A1), die Wege umgekehrt (s1/s2 = A2/A1). Der Kolben mit der kleineren Fläche macht den größeren Hub (hydraulisches Hebelgesetz, Rexroth).
Bei Sauggreifern berechnet die IKS die Haltekraft für vertikales Handling vereinfacht mit FV = m · g · S / μ. Dabei ist S der Sicherheitsfaktor, nach DIN EN 13155 gilt S = 2, und μ der Reibwert (glatt und trocken 0,5, nass bis feucht 0,3 bis 0,4, ölig 0,1 bis 0,2). Beispiel (konstruiert): 10 kg bei μ = 0,5 erfordern 10 · 9,81 · 2 / 0,5 ≈ 392 N Gesamthaltekraft, die sich auf die Sauggreifer verteilt.
Typische Anwendungen
- Hydraulik: In der Industriehydraulik ortsfest etwa in Werkzeugmaschinen, Kunststoffmaschinen und Pressen, in der Mobilhydraulik in Baggern, Radladern, Traktoren oder Staplern (Rexroth). Das Skript nennt außerdem Vorschubantriebe an Werkzeugmaschinen, bei denen die Arbeitsgeschwindigkeit unabhängig von der Last sein soll.
- Pneumatik: Automatisch arbeitende Maschinen mit vielen Arbeitsfunktionen bei kleiner Kraft, schnell umrüstbare Anlagen sowie Bereiche, in denen außerordentliche Sauberkeit geboten ist, etwa in der Lebensmittel- oder Arzneimittelindustrie.
- Vakuum: Handling schwerer Lasten oder von Karosserieteilen, die schnell der nächsten Presstation zugeführt werden müssen (IKS), sowie von Platten aus MDF oder Spanplatte.
Energieeffizienz und Leckagen
Beim Druckluftverbrauch spielen Leckagen eine große Rolle. Laut Auditleitfaden von klimaaktiv ist ein Leckagenanteil von 50 % nicht ungewöhnlich, als Ziel gelten 5 bis 10 %, über 10 % sollten Maßnahmen ergriffen werden. Einen Hinweis liefert die Kompressorlaufzeit bei Betriebsstillstand: Muss der Kompressor außerhalb der Betriebszeit laufen, um den Druck zu halten, deckt er ausschließlich Leckagen ab. Orten lassen sich Lecks am besten mit einem Ultraschallgerät, besonders anfällig sind Kupplungen, Schläuche und Dichtungen an Schaltkomponenten und Zylindern. Eine einzelne Leckage mit 1 mm Durchmesser bei 8 bar Leitungsdruck (1,25 l/s) verursacht laut Leitfaden Kosten von circa 150 EUR pro Jahr. Ein Hebel ist der Netzdruck: Eine Absenkung um 1 bar spart rund 7 % Energie, das Druckniveau über 7 bar sollte hinterfragt werden.
Bei hydraulischen Anlagen steht die äußere Leckage unter Umweltgesichtspunkten im Vordergrund. Rexroth nennt als Gegenmaßnahmen biologisch abbaubare Flüssigkeiten oder Wasser sowie das Auffangen und die umweltgerechte Entsorgung der Flüssigkeit.
Schaltpläne lesen
Schaltpläne verwenden genormte Symbole nach DIN ISO 1219-1. Pneumatische Steuerungen werden in Schaltkreise gegliedert, die Bauteile mit zusammenhängenden Funktionen zusammenfassen. Die Bezeichnung der Bauelemente ist in DIN ISO 1219-2 geregelt und umfasst vier Positionen: Anlagennummer, Schaltkreisnummer, Kennbuchstabe des Bauteils und Bauteilnummer. Wegeventile werden zum Beispiel als 4/2-Wegeventil bezeichnet (vier Anschlüsse, zwei Schaltstellungen). Elektropneumatische und elektrohydraulische Steuerungen realisieren den Steuerungsteil mit elektrischen Bauelementen wie Schaltern, Sensoren, Relais und Magnetspulen oder mit elektrisch betätigten Wegeventilen.
Auswahl in der Praxis
- Kraft und Genauigkeit klären: Hohe Kräfte und genaue Positionierung sprechen für Hydraulik, schnelle Bewegungen bei geringer Last für Pneumatik.
- Betriebsdruck prüfen: Pneumatik arbeitet bei 4 bis 6 bar, bei Netzen über 6 bar ist eine sicherheitstechnische Überwachung vorgeschrieben.
- Umfeld berücksichtigen: Öl ist in sauberen Bereichen ein Risiko, Druckluft kann ohne Filterung in die Umgebung abgelassen werden.
- Betriebskosten bewerten: Leckagen, Netzdruck und Aufbereitung bestimmen den Energieeinsatz.
- Bei Vakuum Haltekraft und Werkstück prüfen: Oberfläche, Reibwert, Beschleunigung, Porosität und Höhenlage beeinflussen die Auslegung.
Themen in diesem Bereich
- Hydraulikpumpen und Hydraulikantriebe: Zahnrad-, Flügelzellen- und Kolbenpumpen, Zylinder und Motoren.
- Hydraulikflüssigkeiten und Filtration: Viskosität, Reinheit, Umweltaspekte.
- Ventiltechnik: Wege-, Sperr-, Strom- und Druckventile, Proportionalventile.
- Pneumatische Antriebe und Druckluftaufbereitung: Zylinder, Wartungseinheit, Netzaufbau.
- Vakuumtechnik: Ejektoren, Sauggreifer und Auslegung.
- Energieeffizienz in der Druckluft: Leckagesuche, Netzdruck, Kompressorsteuerung.
Häufige Fragen
Was ist der Unterschied zwischen Hydraulik und Pneumatik?
Hydraulik überträgt Energie mit einer kaum kompressiblen Flüssigkeit, meist Öl, bei hohen Drücken und erreicht große Kräfte bei kompakter Bauweise. Pneumatik nutzt Druckluft mit typisch 4 bis 6 bar und eignet sich für schnelle Bewegungen bei geringem Kraftbedarf.
Warum ist Pneumatik für genaue Positionen weniger geeignet?
Luft ist kompressibel. Nach dem Skript lassen sich mit Pneumatikzylindern ohne Festanschläge keine genauen Stellungen anfahren, gleichförmige Kolbengeschwindigkeiten sind nicht möglich.
Was bedeutet Konstantpumpe und Verstellpumpe?
Eine Konstantpumpe hat ein gleich bleibendes Verdrängervolumen je Umdrehung, bei einer Verstellpumpe ist es einstellbar und damit auch der Volumenstrom.
Wie berechnet sich die Kraft eines Zylinders?
Die theoretische Kraft ist F = pe · A aus Überdruck und wirksamer Kolbenfläche. Die tatsächlich nutzbare Kraft liegt um die Reibung niedriger.
Wie viel Druckluft geht durch Leckagen verloren?
Der klimaaktiv-Leitfaden nennt einen Leckagenanteil von 50 % als nicht ungewöhnlich und 5 bis 10 % als erreichbaren Zielwert.
Quellen und weiterführende Informationen
- Bosch Rexroth, Drive & Control Academy: Wissen kompakt: Hydraulik – Grundlagen und Wissen ausführlich: Hydraulik – Grundlagen (PDF, 2022)
- Hochschule Zittau/Görlitz, Th. Amhaus: Pneumatik und Hydraulik, Skript (nach Fachkunde Metall, 56. Auflage 2010)
- klimaaktiv/BMK: Auditleitfaden zur Optimierung von Druckluftsystemen (Wien 2020)
- IKS: Vakuumtechnik, Grundlagen
- Leybold: Grundlagen der Vakuumtechnik
